Электромеханический гистерезис, обратный пьезоэффект и реверсивная нелинейность сегнетокерамик различной степени сегнетожесткости

ЕСИС Андрей Александрович

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИСТЕРЕЗИС, ОБРАТНЫЙ ПЬЕЗОЭФФЕКТ И РЕВЕРСИВНАЯ НЕЛИНЕЙНОСТЬ СЕГНЕТОКЕРАМИК РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ СЕГНЕТОЖЕСТКОСТИ

• 
  приготовить в виде керамик необходимые объекты исследования;
  
• 
  установить закономерности изменения их деформации, обратного пьезомодуля, реверсивной диэлектрической проницаемости, поляризационных параметров в широком интервале концентраций компонентов и напряженностей электрического поля;
  
• 
  выявить специфику поведения указанных характеристик в группах сегнетомягких, средней сегнетожесткости, сегнетожестких керамик; в пористых и композиционных средах; в n-компонентных (n = 2 - 4) системах твердых растворов (ТР) (классических сегнетоэлектрических и релаксорных) с направленным изменением концентрации компонентов;
  
• 
  установить связь наблюдаемых эффектов с кристаллической структурой объектов и фазовой картиной в изученных системах твердых растворов.
  

• 
  материалы типа ПКР (пьезокерамика ростовская) трех групп различной сегнетожесткости:
  

• 
  пористая пьезокерамика и композиты на ее основе:
  

• 
  бинарные системы ТР:
  

• 
  четырехкомпонентная система 0.98(xPbTiO₃ - yPbZrO₃– zPbNb_2/3Mg_1/3O₃) – 0.02PbGeO₃.
  

• 
  в классических сегнетоэлектриках и сегнетоэлектриках-релаксорах определены границы применимости закона Рэлея для описания зависимостей обратного пьезомодуля от напряженности электрического поля;
  
• 
  показано, что в образование максимумов на зависимостях d₃₃^обр.(Е) вносят вклад процессы фазообразования и доменных переориентаций;
  
• 
  установлены немонотонные зависимости от напряженности электрического поля дифференциального пьезоэлектрического коэффициента d₃₃ и дифференциального коэффициента электрострикции М₃₃; дано объяснение наблюдаемым эффектам;
  
• 
  установлен факт возникновения гигантской электрострикции в сегнетомягких и релаксорных керамиках;
  
• 
  выявлено несколько областей реверсивной нелинейности, отличающихся поведением относительной диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля;
  
• 
  показано, что поведение деформационных, поляризационных и реверсивных характеристик коррелирует не только с глобальной структурой фазовых диаграмм твердых растворов, но и в пределах фазы (с заданным дальним порядком) с элементами структуры в микро- и мезоскопических масштабах.
  

1. 
   В области слабых электрических полей (0  Е ≤ 6 кВ/см для классических сегнетоэлектриков (СЭ) типа ЦТС, 0  Е ≤ 3 кВ/см – для СЭ–релаксоров типа PMN-PT) зависимости обратного пьезомодуля d₃₃ от напряженности электрического поля линейны и хорошо описываются законом Рэлея. В области сильных полей закон Рэлея не выполняется и целесообразно использование модели Прейзаха.
   
2. 
   В твердых растворах из окрестности морфотропного фазового перехода под действием электрического поля развиваются два процесса: фазообразование и перестройка доменной структуры. При этом в группах
   

• 
  сегнетомягких (СМ) и средней сегнетожесткости (ССЖ) материалов оба процесса формируются в интервале одних и тех же значений Е, совпадающих с напряженностями электрического поля, при которых достигаются максимумы обратного пьезомодуля и реверсивной диэлектрической проницаемости;
  
• 
  в сегнетожестких (СЖ) материалах активное движение доменных границ начинается только в достаточно сильных полях Е = 11-15 кВ/см, совпадающих по величинам с теми, при которых наблюдались максимумы d₃₃ и (ε/ε₀)_{реверс.}. В средних же полях Е = 6-8 кВ/см развивается процесс кластеризации структуры, зарождения и развития новых фазовых состояний.
  

3. 
   Немонотонная зависимость от напряженности электрического поля дифференциального пьезомодуля d₃₃ и дифференциального коэффициента электрострикции M₃₃, измеряемых на девственной кривой деформации, вызваны нелинейностью поляризации. Большая величина диэлектрической восприимчивости обусловливает гигантскую электрострикцию M₃₃  10^-14 м²/В², положительную в слабых и отрицательную в сильных электрических полях.
   
4. 
   В каждой из систем – PMN-PT и ЦТС выявлены 3 области реверсивной нелинейности с характерными зависимостями ε₃₃^Т/ε₀(Е):
   
   • 
     вблизи PbTiO₃ последние приобретают практически линейный безгистерезисный вид, что связано с затрудненностью доменных переориентаций в твердых растворах (ТР);
     
   • 
     в объектах, богатых PbMg_1/3Nb_2/3O₃, в которых отсутствует классическая доменная структура, вид указанных зависимостей (колоколообразный, безгистерезисный) определяется движением границ, разделяющих области полярных нанодоменов и неполярную матрицу;
     
   • 
     в остальных случаях (зависимости ε₃₃^Т/ε₀(Е) в виде петель-"бабочек", симметричных и асимметричных) диэлектрическая нелинейность является следствием компромисса между следующими, зачастую одновременно протекающими процессами: доменно - ориентационными и доменного "зажатия - освобождения"; фазовых превращений и движений межфазных границ; индуцирования полярных состояний в микрообластях; дефектообразования.
     
5. 
   Макроскопические свойства (деформационные, поляризационные и пр.) коррелируют не только с элементами глобальной фазовой структуры объектов, но и с состояниями внутри изосимметрийных полей, связанными с реальной (дефектной) структурой твердых растворов.